夏學(xué)文

摘要：本文以某款平地機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，采用hypermesh軟件建立駕駛室rops與fops仿真有限元模型，采用dyna求解器進(jìn)行駕駛室的吸能、變形及承載計(jì)算。通過rops與fops物理試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行校核，結(jié)果表明仿真吸能、承載結(jié)果與物理試驗(yàn)一致性達(dá)90%以上，保證駕駛室開發(fā)認(rèn)證一次性通過率，對(duì)駕駛室的設(shè)計(jì)開發(fā)具有重大的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：平地機(jī);駕駛室;安全;rops;fops

0 ?引言

平地機(jī)作為一種常用的工程車輛，工程環(huán)境及作業(yè)場(chǎng)地十分險(xiǎn)惡，惡劣的駕駛地形環(huán)境容易出現(xiàn)車輛側(cè)翻;同時(shí)在施工中容易出現(xiàn)石頭、施工材料跌落等情況。本文以國(guó)家安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GBT 17922-2014和GB-T17771-2010要求，采用LS-DYNA顯示動(dòng)力學(xué)彈塑性理論與非線性接觸有限元方法，求解計(jì)算平地機(jī)駕駛室側(cè)翻與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載，同時(shí)通過rops與fops物理試驗(yàn)論證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 ?平地機(jī)駕駛室國(guó)家認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT 17922-2014《土方機(jī)械翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》、GB-T17771-2010《落物保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室性能試驗(yàn)與要求》以及GB17772-1999《土方機(jī)械 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》，平地機(jī)及駕駛室側(cè)翻時(shí)要滿足吸能、承載要求，同時(shí)駕駛室變形不能對(duì)駕駛員有侵入，保證駕駛室安全空間的同時(shí)不會(huì)受到大的瞬間沖擊作用。國(guó)標(biāo)側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)力與能量要求如表1。

本研究對(duì)象平地機(jī)駕駛室側(cè)向吸能、承載要求如表2所示。

2 ?駕駛室安全數(shù)值仿真

2.1 材料拉伸試驗(yàn)

材料非線性考慮材料的塑性應(yīng)變，即超過材料的屈服強(qiáng)度，變形即變得不可恢復(fù)。駕駛室采用塑性大變形理論計(jì)算，進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)，獲取駕駛室結(jié)構(gòu)的拉伸真實(shí)應(yīng)力塑性應(yīng)變曲線，作為有限元模型材料塑性定義輸入?yún)?shù)。拉伸測(cè)試獲得的為名義應(yīng)力應(yīng)變曲線，真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變與名義應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系根據(jù)體積不變?cè)?，如式?）、式（2）[1]：

其中εtrue、εnom分別為真實(shí)應(yīng)變、名義應(yīng)變，σture、σnom分別為真實(shí)應(yīng)力、名義應(yīng)力。

材料有限元模型采用mat24材料類型，主要定義材料的彈性模量、材料密度、泊松比、屈服強(qiáng)度以及材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

2.2 有限元建模

由于駕駛室結(jié)構(gòu)采用相對(duì)外形尺寸較小的薄板件，駕駛室板殼單元選擇基于考慮橫向剪切變形的Mindlin平板理論的殼單元[2]，它是基于最小位能原理，表達(dá)式為：

駕駛室結(jié)構(gòu)板間接觸采用非線性single單面接觸，螺栓連接采用剛性梁?jiǎn)卧M，加載側(cè)向、縱向、垂向加載通過加載器施加時(shí)間相關(guān)位移載荷，建立駕駛室有限元模型如圖2所示。

2.3 rops仿真及驗(yàn)證

對(duì)駕駛室依次進(jìn)行側(cè)向、垂向、縱向加載仿真計(jì)算，獲取側(cè)向的吸能、側(cè)向承載、縱向承載。側(cè)向加載駕駛室變形與試驗(yàn)變形對(duì)比如圖3所示，載荷與吸能隨變形變化曲線對(duì)比如圖4所示。

側(cè)向加載從曲線結(jié)果分析看，試驗(yàn)與仿真趨勢(shì)相同，隨變形增加載荷增加，變形能增大，當(dāng)變形達(dá)到325mm時(shí)，仿真載荷達(dá)到141kN，變形能量達(dá)到36700J。仿真載荷與試驗(yàn)誤差10%以內(nèi)，能量誤差14.4%。試驗(yàn)承載能力相對(duì)仿真較大，這是因?yàn)榉抡嫦鄬?duì)試驗(yàn)，忽略了一些鈑金件的附加剛度，同時(shí)駕駛室橡膠懸置的剛度與實(shí)際存在一定誤差。

垂向加載駕駛室變形對(duì)比如圖5所示，垂向載荷對(duì)比如圖6所示。

垂向加載，當(dāng)駕駛室垂向變形達(dá)27.9mm時(shí)，垂向載荷達(dá)到386kN。仿真相對(duì)試驗(yàn)載荷誤差僅1.9%。仿真相對(duì)試驗(yàn)誤差較小，這是因?yàn)榇瓜虺休d主要依賴于駕駛室四個(gè)立柱，垂向建模相對(duì)更為準(zhǔn)確。

縱向加載駕駛室變形如圖7所示，縱向載荷曲線與試驗(yàn)對(duì)比曲線如圖8所示。

縱向加載在駕駛室后端懸置連接部均出現(xiàn)了由于橡膠墊擠壓引起的大翹起。駕駛室縱向加載載荷、變形趨勢(shì)仿真與試驗(yàn)一致，縱向變形至248mm時(shí)，載荷達(dá)到148kN，仿真相對(duì)試驗(yàn)誤差4.5%。

通過駕駛室側(cè)向、垂向、縱向分別進(jìn)行加載仿真計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)趨勢(shì)一致，整體平均誤差小于10%;駕駛室變形未對(duì)假人模型出現(xiàn)干涉，滿足安全距離要求。仿真很好的反應(yīng)了駕駛室的承載能力，通過指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證了駕駛室通過rops認(rèn)證試驗(yàn)。

2.4 fops仿真及驗(yàn)證

fops仿真主要防止落物沖擊對(duì)駕駛室變形、擊穿等對(duì)人員安全的影響。國(guó)標(biāo)認(rèn)證要求落物垂向沖擊能量11600J。落物沖擊仿真能量變化曲線如圖9所示。從能量分析，駕駛室初始動(dòng)能11600J，滿足fops認(rèn)證要求。隨著時(shí)間變化，97%以上動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為駕駛室變形能，落錘出現(xiàn)一定反彈。

駕駛室變形仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖10所示，從圖分析駕駛室的變形與假人有很大的安全距離且未出現(xiàn)駕駛室擊穿，滿足fops要求。駕駛室仿真最大變形37.4mm，相對(duì)試驗(yàn)位置32.57mm約大14.7%。仿真與試驗(yàn)存在誤差原因?yàn)轳{駛室懸置剛度及阻尼會(huì)對(duì)駕駛室落物沖擊力衰減有一定影響，同時(shí)落物的位置可能與試驗(yàn)存在一定的誤差。

3 ?結(jié)論

本文以某款平地機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，采用hyperworks軟件搭建了rops與fops認(rèn)證試驗(yàn)仿真虛擬模型，通過dyna求解計(jì)算獲取了駕駛室變形、載荷及能量。rops仿真載荷、能量及變形試驗(yàn)與仿真的平均誤差值小于10%，fops仿真變形與試驗(yàn)誤差在14%以內(nèi)，通過設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)，仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性保證了駕駛室一次性通過了國(guó)家試驗(yàn)室強(qiáng)制認(rèn)證，有效縮短了研發(fā)周期，對(duì)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。

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